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形状记忆聚合物在生物医疗和机械工程等方面有广泛的应用前景。然而，大部分形状记忆聚合物编程过程中需要加热，例如水浴和油浴，然而这种环境间接加热方法加热速率和温度有限，尤其对于高性能材料这限制了赋形的条件和精确程度。
形状记忆聚合物增材制造（即4D打印）为复杂结构、多种材料的形状记忆聚合物定制提供了机会。华中科技大学臧剑锋教授团队与吉林大学张志辉教授团队合作，报告了一种共挤出4D打印(CE-4DP)策略，旨在解决以上问题。
本期谷.专栏将分享研究团队所提出的4D打印(CE-4DP)策略，以及基于此取得的研究成果。
▲研究团队发表的相关论文
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109603
有选择、有序地加热并精确控制变形
这项研究提出了分析模型和可打印相图来解释CE-4DP的机理和复合打印质量控制方法，实现了形状记忆聚合物复合材料有选择地、顺序地加热，从而产生精确和可编程的变形，并将其用于形状记忆变形的自感知。
在CE-4DP过程中，连续金属纤维（CMF）在进料口逐渐被熔融聚合物包围，并受到向下的摩擦力。当聚合物在基板上固化时，纤维的末端受到约束并固定，获得与喷嘴相同的打印速度，最终形成带有CMF的聚合物路径层(CMF@polymer path)。研究选用Cr20Ni80纤维和Tg为143℃的高性能PEEK为例来演示CE-4DP策略（图1）。
图1 CE-4DP形状记忆聚合物的原理和方法。
CE-4DP打印可分为有序、准有序和无序三个级别。在有序模式下，CMF纤维并不与打印路径完全重合，而是在两端产生了滑移。因此对不同打印参数（打印间距和打印速度）下的滑移经行了分析，提高打印速度(从37.5 mm/min到300 mm/min)会使滑移距离增加1.7倍左右 ，最终构建了定量的CE-4DP可打印相图(图2)。
图2 CE-4DP的可打印相图和打印性能分析
研究团队通过CE-4DP制备了复合手和百叶窗结构。对纤维依次通电，可以实现手指按顺序顺序恢复，或者同时施加不同大小的电路可以实现手指不同速度的回复。通过对百叶窗结构局部加热，可以实现区域的形状记忆变形。这在油浴或烘箱中是无法实现的，因为样品会整体加热。
图3 CMF@PEEK复合材料的选择性形状记忆变形和精确控制。
研究团队通过CE-4DP制备了20mm×5mm的复合CMF@PEEK样品，对弯曲变形进行自感知。得到纤维电阻变化与样品恢复角度之间的映射关系（图4）。
图4 CMF@PEEK复合材料形状记忆变形的自感知性能。
总结
研究团队报告了一种共挤出4D打印(CE-4DP)策略，该策略将连续的金属纤维集成到热塑性形状记忆聚合物中，在聚合物基体中建立电加热路径直接加热。
研究团队系统地研究了关键打印参数对制造的影响，并提出了分析模型和可打印相图，以阐明CE-4DP的机制。形状记忆聚合物复合材料的升温速度比油浴法快70倍。研究团队还证明了形状记忆聚合物复合材料可以选择性地和顺序地加热，从而产生精确和可编程的变形。此外，还扩展了自感知能力以监测变形。
l 论文信息
Zhou Y, Yang Y, Jian A, et al. Co-extrusion 4D printing of shape memory polymers with continuous metallic fibers for selective deformation[J]. Composites Science and Technology, 2022: 109603.
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